Cellular tensegrity: defining New rules of biological design that govern the cytoskeleton. Donald E. Ingber in Journal of Cell Science, Vol. 104, NO. 3, pages 613--627; March 1993.
MECHANOTRANSDUCTION ACROSS THE CELL SURFACE AND THROUGH THE CYTOSKELETON. Ning Wang, James P. Butler and Donald E. Ingber in Science, Vol. 260, pages 1124--1127; May 21, 1993.
GEOMETRIC CONTROL OF CELL LIFE AND DEATH. Christopher S. Chen, Milan Mrksich, Sui Huang, George M. Whitesides and Donald E. Ingber in Science, Vol. 276, pages 1425--1428; May 30, 1997.
TENSEGRITY: THE ARCHITECTURAL BASIS OF CELLULAR MECHANOTRANSDUCTION. Donald E. Ingber in Annual Review of Physiology, Vol. 59, pages 575--599; 1997.
ССЫЛКИ ПО ТЕМЕ
Biological design principles that guide self-organization, emergence, and hierarchical assembly: from complexity to tensegrity by Donald E. Ingber
Cell Biology: Force-Carrying Web Pervades Living Cell by James Glanz
Molecular Geodesics Inc.
MIT Center for Biomedical Engineering
ОБ АВТОРЕ
ДОНАЛЬД Э. ИНГБЕР - обладатель степеней бакалавра, магистра, магистра философии, доктора медицины и доктора философии, учёной степени Йельского университета. Адъюнкт-профессор патологии Гарвардской медицинской школы и научный сотрудник отделений хирургии и патологии Детской больницы в Бостоне. Он также является членом Центра биоинженерии Массачусетского технологического института. Вместе со своей работой над клеточной структурой, в дополнение, Ингбер внёс свой вклад в изучение ангиогенеза опухоли, включая открытие противоракового препарата, который сейчас проходит клинические испытания. Он является основателем компании Molecular Geodesics, Inc., расположенной в Кембридже, штат Массачусетс, которая создает передовые материалы с биологическими свойствами.
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ «АРХИТЕКТУРЫ ЖИЗНИ»
Линдси Браунелл, Бостон
«Новый многомасштабный подход к моделированию подтверждает, что тенсегрити является фундаментальной детерминантой живых систем любого масштаба.»
Хотя большая часть биологии и медицины сосредоточена на ключевой роли генов и химических веществ в формировании и контроле живых систем, пространственное расположение их компонентов и механические (физические) силы, которые они испытывают, всё чаще признаются в равной степени важными. Дональд Ингбер, доктор медицинских наук, директор-основатель Института Висса в Гарвардском университете, начал исследовать эту «архитектуру жизни» более тридцати пяти лет назад и обнаружил, что Природа использует везде единый архитектурный принцип, известный ныне как «тенсегрити» (от сокращения «напряжённая целостность»), для стабилизации формы живых клеток и реагирования на механические силы.
Одна из простейших моделей тенсегрити-структур: три жёстких стержня (синие) удерживаются в устойчивой структуре гибкими нитями (чёрные). Она может служить моделью белковых структур, где сложное расположение молекул (красные и синие) приводит к удержанию стержей в «предварительно напряжённом» состоянии за счёт водородных связей, напоминающих гибкие струны (предоставлено: Институт Висса при Гарвардском университете).
Структуры тенсегрити состоят из элементов, находящихся в состоянии либо натяжения, либо сжатия, и баланс между этими противоположно направленными взаимодействующими силами позволяет таким структурам стабилизироваться в состоянии изометрического самонапряжения, подобно мышцам и костям в нашем теле. Причём это внутреннее, или «предварительное напряжение» позволяет всей конструкции выдерживать напряжения от внешних сил, деформируясь контролируемым образом и самопроизвольно возвращаясь к своей первоначальной форме после снятия нагрузки.
Используя недавно разработанный метод многомасштабного моделирования, Ингбер (который является профессором биологии сосудов в Гарвардской медицинской школе и ведёт программу биологии сосудов в Бостонской детской больнице, а также профессор биоинженерии в Гарвардской школе инженерии и Applied Sciences) и научный сотрудник Wyss Чарльз Рейли успешно продемонстрировали, что принципы тенсегрити используются на различных уровнях (масштабных и по структурной сложности) в живых клетках. Их работа также показала, как изменения молекулярной формы, основанные на принципе тенсегрити, могут управлять движением клеточных частей. Исследование, опубликованное в Extreme Mechanics Letters, дополнительно разъясняет важность тенсегрити как фундаментального принципа биологии.
Идея о том, что тенсегрити задаёт форму и организацию живых клеток, изначально вызывала споры, но в результате экспериментальной проверки в нескольких живых системах она со временем получает всё большее признание. Тенсегрити может быть иерархической, в том смысле, что каждый структурный элемент сам по себе может быть структурой тенсегрити в меньшем масштабе, при этом целостность напряжения сохраняется как локально, так и глобально. Основываясь на этих свойствах, Ингбер в статье «Scientific American» 1998 года предположил, что тенсегрити может применяться за пределами клеточного уровня во всех масштабах жизни - от атомов до целых организмов (и даже при моделировании надорганизменных уровней). Недавняя работа Ингбера и других во многом экспериментально подтвердила эту гипотезу, продемонстрировав, что тенсегрити действительно используется в масштабе клеточных ядер, элементов цитоскелета и отдельных молекул, функционирование которых трудно было объяснить другими принципами. Однако, исследование принципа тенсегрити в сложных иерархических структурах, претерпевающих резкие изменения формы (например, ферментов и других белков), оказалось очень сложным, отчасти, из-за ограничений существующих методов биологического моделирования.
На этой анимации молекулы динеина ( цветные линии ) представляют собой связи между всеми атомами, составляющими белок . Модель их движения отражает принципы тенсегрити, действующие в различных масштабах (п редоставлено: Институт Висса при Гарвардском университете ) .
Новый подход к вычислительному моделированию использует целостный взгляд, рассматривая каждую модель как серию математических операций, которые могут динамически изменяться в зависимости от значения каждого из входных данных, а не только зависеть от статического набора данных. «Разница между нашим методом и другими методами моделирования немного похожа на различные способы использования электронных таблиц Excel», — говорит Рейли. — «Если вы вручную поместите набор данных в электронную таблицу, а затем измените содержимое одной ячейки, это не приведёт к обновлению других ячеек вокруг неё. Но если вы используете формулу и посредством неё передаёте любые изменения данных, то формула автоматически обновляет сразу все ячейки в электронной таблице - по сути, это
и есть то, что мы делаем, но для многомасштабных моделей биологических молекул и систем разного размера и сложности».
Эта стратегия, также известная как «процедурное моделирование», позволяет интегрировать данные разных масштабов и форматов в одну многомасштабную модель, строя её одновременно снизу-вверх и сверху-вниз, вместо того, чтобы начинать с дискретных наборов данных, каждые из которых описывают только один аспект модели и не пытается их согласовать. В недавней публикации в ACS Nano Рейли и Ингбер разработали этот метод, объединив подходы программного обеспечения для компьютерной анимации из индустрии развлечений со строгими инструментами моделирования молекулярной динамики, обычно используемыми в биологических исследованиях. Они использовали этот новый подход к моделированию, чтобы построить модель сперматозоида, которая демонстрирует клеточное движение от отдельных молекул в хвосте белка динеина до целой клетки, что позволяет наблюдать, как изменения на атомном уровне отражаются в более крупных масштабных структурах (клетках). Они даже использовали это достижение для создания развлекательного анимационного фильма для непрофессионалов, который передаёт красоту и чудо оплодотворения яйцеклетки под названием «Начало», который был опубликован вместе со статьёй.
В своей последней статье они показывают работу этой же модели тенсегрити в различных масштабах в иерархической структуре живой клетки. На молекулярном уровне было обнаружено, что отдельные молекулы динеина, форма которых стабилизируется за счёт предварительного напряжения, имеют области повышенной жёсткости вокруг мест связывания АТФ, которые сопротивляются деформации за счёт поступающей энергии от АТФ, что переводит эту силу в характерное движение молекулы динеина. Коллективные изменения формы множества динеинов генерируют силы растяжения, которые воздействуют на длинные микротрубочки, устойчивые к сжатию, с которыми они связаны в большем масштабе. Затем эти силы натяжения приводят к циклическому изгибу микротрубочек, что вызывает ритмическое изгибание хвоста спермия уже на уровне целой клетки.
Самые жёсткие области динеина (жёлтые слева) — это места, где АТФ связывается с белком и высвобождает энергию при преобразовании в АДФ (цветные справа). Эта жёсткость позволяет энергии передаваться по всей молекуле, позволяя ей перемещаться по шарнирной области (предоставлено: Институт Висса при Гарвардском университете).
«Насколько нам известно, это первое исследование, демонстрирующее механическую непрерывность передачи деформации и напряжения и конформационные изменения, возникающие в результате высвобождения химической энергии от атомного уровня до уровня целой клетки, а также то, как принцип тенсегрити направляет эти изменения для управления клеточным движением», — говорит Ингбер.
«Тенсегрити — хороший пример принципа биологического дизайна, которым мы были вдохновлены здесь, в Институте Висса, и который используем для создания новых технологий», — добавляет Ингбер. — «Например, работая с [основателем основного факультета и соруководителем молекулярной робототехники] Уильямом Ши, мы создали ДНК-наноустройства на основе тенсегрити, которые можно запрограммировать на изменение формы по запросу для биомедицинских приложений, а с [членом основного факультета и био-робототехником, соруководителем] Радхика Нагпал мы разработали также самодеформирующегося модульного робота, который может выполнять различные манёвры быстрее, чем традиционные роботы. Теперь, когда у нас есть подход к моделированию, который включает и проверяет принцип тенсегрити, мы надеемся, что сможем изучить и использовать его совершенно новыми и неожиданными способами».
Затем исследователи смоделировали новую систему с тем же процессом: митохондриальный фермент АТФ-синтетазу, который также демонстрирует отчётливое конформационное изменение, продиктованное приложением силы к структуре фермента, которая распространяется посредством тенсегрити. Модель можно использовать, например, для изучения того, как АТФ-синтаза взаимодействует с микроокружением, позволяя исследователям изменять концентрацию молекул субстрата фермента и наблюдать, как фермент реагирует на это. Дальнейшие исследования показали, что более высокая концентрация молекул ферментов во внутренних складках митохондриальных крист по сравнению с внешними может, по сути, также способствовать физическим свойствам микроокружения, подразумевая, что тенсегрити стабилизирует структуры также в масштабе сложных мультимолекулярных взаимодействующих структур.
«Для этой статьи наше исследование было сосредоточено на структурах клеточного масштаба и ниже, но этот метод моделирования также может быть распространен на более крупные структуры, так что вы можете моделировать практически любую многоуровневую систему», — говорит Рейли. Исследователи ожидают, что их подход может быть использован при создании моделей для самых различных приложений от механобиологии до передачи клеточных сигналов и расшифровки основ самой жизни.
Это исследование поддержано финансированием Института биологической инженерии Висса Гарвардского университета
PUBLICATION: Extreme Mechanics Letters - Multi-scale modeling reveals use of hierarchical tensegrity principles at the molecular, multi-molecular, and cellular levels